Výzkumníci z Polytechnické univerzity v Madridu ověřili model pro simulaci solárních zdrojů pro integrované fotovoltaické systémy ve vozidlech v městském prostředí, s přihlédnutím k difuzním odrazům a stínům budov a objektů.
Tým výzkumníků z Polytechnické univerzity v Madridu (UPM) vyvinul model pro simulaci dopadu budov a objektů na přímé a difúzní sluneční záření ve fotovoltaice integrované do vozidla (VIPV).
Pro své modelování vědci použili zařízení pro detekci a měření vzdálenosti (LiDAR), senzory ozáření a panoramatické snímky celé oblohy.
„Základním cílem našeho výzkumu bylo vždy vyvinout modelovací nástroj schopný odhadnout sluneční zdroje na fotovoltaickém povrchu vozidla bez spoléhání se na jakékoli externí měřicí zařízení,“ uvedl odpovídající autor Javier Macias. ,,Proces validace potvrdil, že výsledky poskytované softwarem úzce odrážejí skutečné podmínky. Což znamená, že všechny potřebné vstupy pro přesný odhad slunečních zdrojů lze skutečně odvodit pouze z dat LiDAR. A to aniž by bylo potřeba další zobrazování oblohy nebo hardware.“
Klíčovým aspektem výzkumu se stalo použití mračen bodů LiDAR ke generování přesných virtuálních reprezentací městské topografie. Jedním z nejnáročnějších aspektů byl podle Maciase vývoj algoritmů schopných přesně odhadnout každou složku ozáření z LiDAR a dat o poloze Slunce.
Nový model pro difuzní složky integrovaný do vozidla
,,Složitost se zvyšuje, když se zabýváme odraženým zářením. A to proto, protože nezávisí pouze na slunečním úhlu v daném okamžiku, ale také na reflexních vlastnostech městských prvků,“ řekl Macias. „Přestože data LiDAR poskytují vysoce detailní městské scény, nezahrnují fyzikální vlastnosti objektů, jako je barva a materiál. Najít algoritmus, který by dokázal odhadnout odraženou složku pouze na základě mračen bodů a slunečních dat, bylo obzvláště náročné.“
Experimentální uspořádání představovalo vozidlo zaparkované na jeden den v zimě poblíž výzkumné laboratoře, kde budovy a stromy vytvářejí stíny po celý den.
Pro modelování stínů se podle týmu definoval stínový faktor (SF). Ten vynuluje složku přímého záření v případě, že je vozidlo ve stínu. Pro modelování difuzní složky se viditelná část izotropní oblohy považuje za vyjádřenou faktorem pohledu na oblohu (SVF). A složka se podle výzkumníků odráží budovami. Výzkumníci taky dodali, že faktor pohledu na světlou fasádu (BFVF) je definovány tak, aby uvažoval o fasádách budov, které odrážejí přímou solární složku lambertovským způsobem.
Stínící efekty budov lze předvídat
Na střeše vozidla se umístila kamera rybího oka pořizující vysoce kvalitní polokulové snímky spolu se senzorem. Ten se vyvinul pro měření ozáření v pěti směrech vozidla: kapota, střecha, zavazadlový prostor, levé dveře a pravé dveře. Měření probíhalo každou minutu během dne. V blízkosti zaparkovaného vozidla se instalovala také meteostanice.
Srovnání ukázalo, že stínové efekty budov lze přesně předvídat. „Výsledky ukazují rozdíly v průměru 36 W/m2 mezi měřením a simulací. Dále se pozorovalo, že difúzní složka způsobená odrazem na budovách je stejného řádu jako složka způsobená oblohou,“ uvedla výzkumná skupina.
„Navíc v závislosti na poloze vozidla se efektivní rozptyl oblohy mění podle viditelné části oblohy. A také podle různých úrovní ozáření odrážených budovami v závislosti na poloze slunce,“ dodali.
Vysvětlili také, že data LiDAR umožňují získat SVF a BFVF s podobnou přesností jako použití celooblohových snímků s relativní chybou 3 % a 4 %.
Výzkum se podrobně popsal v článku „O validaci modelovacího nástroje pro Vehicle Integrated PhotoVoltaics: Odražené záření v městském prostředí“. Ten se publikoval v Solar Energy Materials and Solar Cells.
Do budoucna chce tým otestovat navrhovaný model v pohybujících se vozidlech. „Budeme shromažďovat údaje o ozáření z vozidla v pohybu pomocí našeho na zakázku vyvinutého senzoru namontovaného na jeho střeše. Tato skutečná měření pak budou porovnána s teoretickými předpověďmi generovanými softwarem. Což nám umožní vylepšit model pro použití v jedoucích vozidlech a různých městských prostředích,“ řekl Macias.
Studie se dokončila v UPM Solar Energy Institute, kde výzkumníci vyvíjeli charakterizační nástroje a modely. Ty zahrnují jedinečné aspekty VIPV, jako je zakřivení povrchu vozidel, dynamický pohyb a vliv městské krajiny.
Zdroj: pv-magazine, TowPoint
